Cieplny równoważnik pracy

1

MECHANICZNY RÓWNOWAŻNIK CIEPŁA

Cele ćwiczenia

Wyznaczenie wartości cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego.

Utrwalenie pojęć związanych z przepływem prądu elektrycznego. Utrwalenie

umiejętności układania bilansu cieplnego.

Spis przyrządów

Zestaw do wyznaczania cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego:

zasilacz (z woltomierzem i amperomierzem), naczynie Dewara, termometr

cyfrowy. Czajnik elektryczny, cylinder miarowy, stoper.

Zagadnienia

1. Natężenie prądu elektrycznego i jego jednostka.

2. Praca i moc prądu elektrycznego.

3. Bilans cieplny. Cieplny równoważnik pracy prądu elektrycznego.

4. Wyznaczanie pojemności cieplnej kalorymetru.

Literatura

1. A. Zawadzki, H. Hofmokl, Laboratorium fizyczne, PWN, Warszawa, 1964

2. S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna cz. 2 i 3, PWN, Warszawa, 1964

3. Praca zbiorowa pod redakcją Czesława Kajtocha., I Pracownia Fizyczna,

Wydawnictwo Naukowe AP, Kraków 2007

Cieplny równoważnik pracy

2

Tok postępowania

1. Przygotować zestaw jak na rysunku poniżej.

Rys. Zestaw do wyznaczania cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego:

Z – zasilacz regulowany ( A – amperomierz, V – woltomierz), G – grzałka, T –

termometr, ND – naczynie Dewara

2. Wyznaczanie pojemności cieplnej kalorymetru:

a) podgrzać w czajniku 300-500 ml wody destylowanej do temperatury

ok. 40

o

C;

b) odmierzyć menzurką 200 ml (m

w

= 200 g);

c) odczytać temperaturę wody T

1,

przed samym wlaniem jej do

kalorymetru;

d) wlać wodę do kalorymetru, zamknąć go, włożyć termometr, mieszać

nim wodę i odczytywać temperaturę co ok. 0,5 min. Zanotować

końcową temperaturę T

2

(utrzymuje się przez kilkanaście sekund a

potem jej wartość obniża się);

e) obliczyć pojemność cieplną kalorymetru k [cal/

o

C] -

z bilansu cieplnego:

m

w

c

w

(T

1

–T

2

) = k (T

2

–T

pok

) .

Cieplny równoważnik pracy

3

3. Wyznaczanie cieplnego równoważnika pracy prądu elektrycznego:

a) odczytać ponownie temperaturę układu - T

3

;

b) podłączyć do grzałki o oporze 3



zasilacz stabilizowany;

c) włączyć stoper równocześnie z zasilaczem (ok.10V, 4A). (Uwaga: jeśli

wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego znacznie różnią się od

zadanych, ustawić właściwe wartości, wyłączyć zasilacz, po upływie

kilku minut cofnąć się do punktu 3a;)

d) po upływie ok. t = 5 min (mieszać wodę termometrem), odczytać

temperaturę końcową T

4

.

4. Obliczyć:

a) ciepło Q [cal] dostarczone do układu - z bilansu cieplnego :

Q = (m

w

c

w

+ k) (T

4

– T

3

)

b) pracę W [J] wykonaną przez prąd przepływający przez uzwojenie
kalorymetru:

W= U



I



t

c) cieplny równoważnik pracy prądu elektrycznego



[J/cal]:

Q

W





5. Obliczyć niepewności pomiarowe, porównać uzyskany wynik z wartością

tablicową i przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników.

Cieplny równoważnik pracy

4

Wstęp teoretyczny

Praca W potrzebna do przeniesienia ładunku q między punktami

o potencjałach V

A

i V

B

wynosi:

W = q (V

B

– V

A

) = q



U.

gdzie: U



napięcie między punktami A i B

Przy przepływie prądu elektrycznego o stałym natężeniu I w czasie t

przeniesiony ładunek q ma wartość:

q = I



t .

Stąd praca prądu elektrycznego W wyniesie:

W = I



U



t.

Jeśli opornik w postaci grzałki umieścimy w kalorymetrze z wodą

destylowaną to powyższa energia spowoduje jej ogrzanie od temperatury T

1

do

temperatury T

2

. Wiąże się to z podniesieniem energii wewnętrznej wskutek

dostarczonego do układu ciepła Q.

Q = (c

w

m

w

+ k) (T

2

– T

1

)

gdzie: c

w



ciepło właściwe wody

m

w



masa wody

k



pojemność cieplną kalorymetru z opornikiem, termometrem

i mieszadłem.

Wykorzystując zależności na obie wartości energii Q i W obliczamy

cieplny równoważnik pracy prądu elektrycznego



:

Q

W





.

Wartość tablicowa



= 4,187 J/cal

(0,24 cal/J)